化学教学中模型的应用
化学教学中模型的应用 This manuscript was revised on November 28, 2020
化学教学中模型的应用
摘要：模型是帮助学生理解和掌握一些抽象概念和理论的重要方法。模型方法的应用也可以促进学生思维能力的发展。文章论述了化学模型的定义和分类，并探讨将模型运用于化学教学中。
关键词：模型；化学模型；化学教学
文章编号：1008-0546（2016）05-0040-03 中图分类号：文献标识码：B
素质教育认为通过学习学生不仅要掌握知识，更要掌握科学方法。模型方法源自科学研究，是人类认识事物的重要方法，因此也是学习的重要工具，它可以帮助我们认识一些抽象的现象，也有助于我们理解一些概念和理论。化学是研究物质组成、性质和结构的一门学科，因此在研究和学习过程中普遍运用了模型方法
一、化学模型的定义及分类
化学模型是在已获得大量感性认识的基础上，以理想化的思维方法，对化学事实进行近似、形象和整体的描述，进而揭示其本质和规律。[1]化学中最重要的思想模型是分子模型（反映分子的组成、结构和性质的静态模型）和反应系统模型（反映分子转化过程即化学反应的动态模型）。化学中的其他思想模型，如官能团模型、化学键模型、反应速度理论模型、溶液模型等，都与这两类基本的化学模型有密切的联系。
按照模型代表和反映原型的方式是较为普遍使用的一种分类标准，可分为物质模型和思想模型。见表1。
二、化学教学中模型的应用
化学模型方法广泛应用于中学化学不同内容的教学中，如化学基本概念教学、基础理论教学、化学反应教学、化学体系教学，本文将从这几个方面以及数学模型在教学中应用加以讨论。
1.模型运用于化学概念教学中
化学概念是人类在认识过程中，把所感知的客观事物的本质特点抽象出来，加以概括。因此，概念具有抽象性、高度概括性。在概念的学习中可以运用模型方法，将概念和熟悉的事物联系起来，从而帮助学生理解相关概念（见表2）。
解析：在气体摩尔体积这一个概念的教学中，将微观世界宏观化，运用一系列分子模型图片展示1mol 物质的体积大小，让学生有感性的认识。利用学生熟悉的实物模拟物质的组成，采取类比方法，来解释说明影响气体、液体和固体体积的因素，使学生更易理解和掌握气体摩尔体积这一概念。
化学上还有很多抽象的概念，比如物质的量、质量守恒定律、氧化还原反应等等，学生在学习过程中存在学习困难。教师在教学中应提取概念的本质特征，建立适当的类比模型来帮助学生理解，使学生便于理解和掌握。
2. 模型运用于化学理论教学中
化学基础理论是人们从实践中概括出来的关于化学知识的系统性的规律和结论。[2]理论是化学知识体系的核心，贯穿于中学化学教材中，但并不具系统性，所以在教学中应重视理论框架的构建，帮助学生形成理论模型。理论模型的建立有助于学生掌握化学知识，形成化学思维方式，提升化学知识的应用能力（见表3）。
解析：此案例就是将电解质的电离理论建构为一图表模型，图表模型就是通过图表揭示、反映原型的结构、性质和机制。图表模型属于形象模型的一类，当然，这里的“形象”并不是指原型和模型外表上的相像，而是指原型和模型本质内部的相像。上图将电离理论知识系统化，更易于学生理清理论中不同知识点之间的联系，也便于学生记忆和运用。
有些模型可以通过图像、图表和曲线的形式来体现，这类模型称为形象模型。反映原型结构的形象模型不仅从整体上看与原型有一定的相似关系，而且构成模型这一观念系统的元素与构成原型这一物质系统的相应的元素也有某种相似关系。例如，物理学中的气体模型（把气体分子想象成弹性球体）、原子的行星式结构模型、各种化学键模型等等。反映原型的性质和机制的形象模型也常常可通过一定的图像间接地加以反映，如用几何图形或解析几何中的坐标系和曲线、曲面来表示。这些图像也可称为图像模型，实际上也是几何形式表示的数学模型。可见，模型间的分类并不是绝对的，不同的模型分类间有一定的交叉。
图像模型、图表模型或曲线模型可将不同的、有相互关系的因素简明扼要地表现出来。在教学中，尤其是比较复杂的化学理论，教师可以抽取其中的本质属性，并用此类模型来表现，使学生的知识更具条理化。此类模型在化学教学中最常见的应用是“物质的溶解度曲线图”。
3. 模型运用于化学反应教学中
化学反应是元素化合物知识的重要组成部分，要求学生熟识化学反应的实质并加以应用。虽然物质的种类繁多，但化学反应具有一定的规律性。教学过程中，教师要引导学生概括出化学反应的模式（即化学反应模型）（见表4）。
解析：化学反应数量众多，化学反应方程式是一类符号模型，利用化学反应通式来表示一类的化学反应，方便学生记忆和使用。
此外，氧化还原反应是高中化学的重难点，也有规律可循，可在教学中建立相关模型。有机化学中的取代反应、加成反应都可以运用符号模型有助于教学。
4. 模型运用于化学体系教学中
化学过程通常受多条件因素综合影响，此时学生很难理出头绪，如果将问题分解并假设为几个变化的体系模型，就能简化问题。[3]例如，在学习化学平衡移动相关内容时，压强对平衡移动的影响是重点也是难点，学生很难在体积、压强、浓度这一系列的外界变化中确定平衡移动的方向性。因此，在平衡移动教学中
应多建立体系模型，分解问题，帮助学生理解（见表5和表6）。
解析：此题就是将问题分解为几个简单的体系模型，使问题简化，思路清晰，从而作出解答。
解析：在此题的解题过程中，利用外界条件不变时，达到平衡时，结果与过程无关的特点，以及等效平衡的观点转换路径，抽象出来的解题过程，将复杂的问题简单化，而达到简单解题的问题。
5. 数学模型运用于化学教学中
数学是一门基础学科，是不可缺少的工具学科。在化学研究和学习中，有些内容从数学角度，利用数学模型可以更简明清晰的呈现，学生也更易理解。[4]化学中很多问题可用数学模型来解决，例如溶液的相关计算、混合气体的平均摩尔质量的计算（十字交叉法）、平衡移动等等（见表7）。
解析：此题的解答中运用数学中的杠杆原理，结合图示，列出方程式最终求得答案。数学模型就是运用数学语言（如符号、公式、方程等）定量地揭示客观事物的本质特征和运用规律。数学模型的抽取过程是将所要研究的复杂的问题转化为数学问题来处理。
数学模型方法在化学中有极为广泛的应用。数学方法目的在于认识事物的运动变化及其规律性，并从数量关系上加以把握。马克思曾指出；一门科学只有达到能应用数学描述时，它才是算
得上真正发展了和完善了。正如之前所提及，理想气体的状态方程就是数学模型在化学中运用最典型的例子之一。
科学模型在教学中的运用范围广泛，教学案例是无法穷尽的，在此仅列出一些典型的案例供教师参考。更重要的是，教师通过自身对模型内涵的理解，将模型和模型构建这一科学方法融入日常的教学中，帮助学生更好地学习化学知识，促进学生科学思维和科学方法的培养。
参考文献
[1] 陈文婷，王祖浩.化学教师对模型的认识和应用研究[D].上海：华东师范大学，2008
[2] 王金福.思想模型在化学教学中的应用初探[J].化学教育，2000，（9）
[3] 张琼，于祺明，刘文君.科学理论模型的建构[M].杭州：浙江科学技术出版社，1990：1-2
[4] 孙小礼，韩增禄，傅杰青等.科学方法（上册）[M].北京：知识出版社，1985：342-388